第9章IO系统组织.ppt

第 9 章 I/O系统组织 2022/2/141 2011 第7版本章学习内容 I/O系统的功能 接口的功能 中断的基本概念 DMA的基本概念 通道的基本概念2022/2/1429.1 I/O系统概述 I/O系统的基本功能 为数据传输操作选择输入/输出设备 控制被选的输入/输出设备与主机之间的信息交换2022/2/143I/O系统需解决的主要问题 解决主机与外部设备间的信息通讯问题，提供主机与外设间的信息通路，使外围设备与主机能够协调一致地工作 使处理机与外部设备在数据处理的速度上能够相互匹配解决方法：缓冲技术 使处理机与外部设备能够并行工作，以提高整个计算机系统的工作效率解决方法：减少处理机对外部设备的直接控制，乃至处理机不再干预外部设备的控制，而交由专门的硬件装置去实现对外部设备的管理与监督2022/2/1449.1.2 I/O系统的组成 典型计算机系统中I/O系统的组成： 系统总线、I/O设备接口控制器、I/O设备、相关控制软件 2022/2/145 现代计算机系统中I/O系统的组成： 扩展总线、I/O设备接口控制器、I/O设备、相关控制软件 2022/2/146 扩展总线及I/O接口控制器的作用： 分流CPU和内存之间以及外设和内存之间的数据流 现代计算机系统的主机与外设工作速度相差很大，需要分流CPU和内存之间以及外设和内存之间的数据流，因此需要引入扩展总线。

便于系统实现标准化、模块化 系统总线（也包括扩展总线）中的控制总线通常定义为通用或标准的信号，而具体的I/O设备设置的是专用的控制信号，因此需要I/O接口控制器进行信号的转换2022/2/147 I/O设备控制接口的发展趋势 在现代计算机系统中，许多I/O设备的控制器中（比如磁盘控制器、激光打印机）往往会采用专用的微处理器对有关设备进行控制，使用相应的设备控制程序 因此传统的单纯由硬件电路实现的I/O设备控制接口，逐渐演变为由软、硬件相互配合的I/O设备控制接口 2022/2/1489.1.3 主机与外设间的连接方式与组织管理 主机与外围设备的连接方式大致可分为： 总线方式 通道方式 I/O处理机方式(IOP方式)2022/2/1491总线型连接方式 CPU通过系统总线与主存储器，I/O控制器，I/O接口电路相连接，通过I/O接口电路进一步实现对外设的控制 系统总线包括地址总线，数据总线和控制总线，分别用于传送地址信号，数据信号和控制信号(如读/写信号、中断申请及应答信号等)2022/2/14102022/2/1411 总线型连接方式的优点： 系统模块化程度较高，I/O接口扩充方便 总线型连接方式的缺点： 系统中部件之间的信息交换，均依赖于总线，总线成为系统中的速度瓶颈，因而不适于系统需配备有大量外设的场合。

实际设备中，一种I/O接口适配器也可以控制多台I/O设备，如多用户卡一块多用户I/O适配器，可以控制多台终端的工作，这种方式称之为现代星型I/O设备的连接方式2022/2/1412多用户接口适配器终端终端总线2022/2/14132通道控制连接方式 通道控制方式 由通道控制器执行专门的通道程序，通过I/O总线控制接口与外设 通道控制连接方式主要用于连接外设数量多，外设类型多，外设速度差异大的大型主机系统2022/2/14142022/2/1415 通道控制器是专门负责I/O操作的控制器，它执行一种专门的通道程序，可与CPU并行工作 通道控制器通过执行通道程序或采用DMA方式实现存储器与外部设备之间的直接数据传输，减少CPU对I/O处理工作的控制通道控制器2022/2/1416 从连接角度看，主机一般通过单独的数据通路分别连接数目有限的通道，各通道再通过I/O总线连接I/O接口，再与外设连接 通道的四级连接方式： 主机 通道 I/O接口(设备控制器) 外设2022/2/1417通道的四级连接方式2022/2/14183I/O处理机控制连接方式(IOP方式) I/O处理机(IOP) 一种具有比I/O通道更强独立性的专用CPU。

IOP有自己的指令系统，可编程控制，适应性强、通用性好其程序的执行可与CPU并行，可使CPU彻底摆脱对I/O的控制处理 IOP可大可小，大的如在巨型机系统中，IOP可为一台通用的小型机或中型计算机，称为前端处理机；小的则为一块大规模集成电路芯片，如Intel公司为其微处理器(CPU)8086配套的IOP80892022/2/14199.1.4 I/O信息传送的控制方式 I/O数据传送控制方式也称I/O信息交换方式 I/O数据传送控制方式与主机和外设之间的连接方式有很大的关系，各种方式有不同的适用对象和应用场合，需要相应的硬件来支持 2022/2/1420 按I/O控制组织的演变顺序和外设与主机并行工作程度以及数据传送的控制方式，对I/O数据传送控制分类如下： 直接程序控制方式： 程序中断方式： DMA方式： 通道方式 I/O处理机方式由专有硬件控制的数据传送由程序控制的数据传送采用辅助硬件实现适合快速外设快、慢设备均适用适合于大、中型机适合慢速外设适合于小微型机2022/2/1421（1）由程序控制的数据传送 这种控制方式是指在主机和设备之间的I/O数据传送，需要通过处理机执行具体的I/O指令来完成。

即由处理机执行所谓的I/O程序，实现对整个I/O数据传送过程的全程监督与管理 程序控制方式一般在总线型连接方式中采用 由程序控制的数据传送可进一步分为直接程序控制方式和程序中断传送方式 2022/2/1422（2）由专有硬件控制的数据传送 这种控制方式需要在系统中设置专门用于控制I/O数据传输的硬件装置，处理机只要启动这些装置，就会在它们的控制下完成I/O数据传输，因此具体的I/O数据传输过程无需处理机的控制 由专有硬件控制的数据传送可具体分为： 直接存储器存取（DMA）方式 通道控制方式 I/O处理机控制方式2022/2/14239.2 I/O接口 接口：通常指设备(硬件)之间的界面 I/O接口:主机(系统总线)与外部设备或其它外部系统之间的接口逻辑2022/2/14249.2.1 I/O接口的基本功能 实现数据的传送、缓冲、隔离和锁存 实现信号形式和数据格式转换 控制主机与外设之间的通信联络，实现控制命令和状态信息的交换，保证时序协调 寻址，即识别设备地址，选择指定的设备和I/O端口2022/2/1425CPU和外设之间传送的信息 数据信息 数字量 数字量是指用二进制码形式提供的信息，如用二进制形式表示的数据、以ASCII码形式表示的字符等。

通常有8位、16位和32位数据 模拟量 模拟量是指连续变化的物理量，如温度、湿度、位移、压力、流量等计算机无法直接接收和处理模拟量，要经过A/D变换将模拟量变成数字量，才能送入计算机；同样，计算机输出的数字量要经过D/A变换将数字量变成模拟量，才能送入使用模拟量的外设 2022/2/1426 开关量 开关量有两个状态：如开关的闭合和断开、设备的启动和停止等，可以“0”和“1” 表示2022/2/1427 状态信息 状态信息就是反映当前外设所处的工作状态的信息 在与外设进行数据信息的交换时，CPU需要通过状态信息了解外设的工作状态通常外设用准备好（READY）信号来表明是否准备就绪；用忙（BUSY）信号表示是否处于空闲状态例如，当输入设备准备好向系统输入的数据信息时，就用READY信号通知CPU读入数据；输出设备只有处于空闲状态（不忙）时，才可以接收CPU送来的信息 外设的状态信息通过接口送往CPU 2022/2/1428 控制信息 在外设的工作过程中，CPU需要通过控制信息控制外设的工作，如对外设的启动和停止等不同外设所需的控制信息各不相同，因此CPU需要通过接口将控制信息传送给外设 2022/2/1429I/O信息的传送 数据信息、状态信息和控制信息各不相同，应该分别传送。

为了便于处理，将状态信息、控制信息也广义地看成数据信息，通过数据总线来传送为了区别这三种信息，在接口线路中将它们分别送入不同的寄存器（I/O端口） CPU同外设之间的信息传送实质上是对相应的寄存器进行“读”或“写”操作 端口（Port或I/O端口）：接口中可以由CPU进行读或写的寄存器2022/2/1430I/O端口的寻址方式 对I/O设备的寻址实质上就是对I/O端口的寻址 I/O端口与主存统一编址 将一个I/O端口作为存储器中的一个单元对待，每一个I/O端口占用一个存储器单元地址编址时将I/O端口与存储器单元一起进行编址 又称为存储器对应的输入输出方式或存储器映象编址方式2022/2/1431I/O端口与主存统一编址内存I/O端口内存2022/2/1432 I/O端口与主存统一编址方式的优点： CPU可使用所有存储器操作指令对I/O端口中数据进行操作，十分灵活和方便 不需要用专门的指令及控制信号区分是存储器还是I/O操作使得系统相对简单 I/O端口与主存统一编址方式存在的缺点： I/O端口占用了内存单元的部分地址空间，使内存容量减小 由于在程序中不易分清指令访问的是存储器还是I/O端口，所以采用这种方式编制的程序不易阅读。

2022/2/1433 I/O端口独立编址 将I/O端口与存储器单元分别独立进行编址，CPU访问外设时，需使用专门的I/O指令，并需要有与接口电路联系的单独的控制信号 也称为I/O端口寻址输入输出方式存储器I/O端口FFFFH0000HFFFH000H2022/2/1434IBMPC中I/O地址的分配 输入输出设备占用地址数地址(16进制)硬盘控制器1632032F软盘控制器83F03F7彩色图形显示适配器163D03DF异步通讯控制器83F83FF2022/2/1435 I/O端口独立编址方式的优点： I/O端口具有独立的地址空间，不占用内存空间 I/O指令中的地址字段的长度较短，可以节省指令存储空间和指令执行时间 由于访问存储器和访问I/O端口使用不同的指令，因此编制的程序比较清晰易读 I/O端口独立编址方式的缺点： I/O操作指令的种类通常没有存储器操作指令丰富，设计程序时不够方便2022/2/14369.2.2 接口的基本组成2022/2/1437 设备选择电路 用于接收总线传来的地址信息，经译码后，决定选择哪个设备或I/O接口内部的部件 数据缓冲寄存器（数据端口） 用于存放主机与外设之间要传递的数据信息。

命令寄存器（控制端口） 用于存放主机向外设发送的控制命令 状态寄存器（状态端口） 用于存放外设或接口的工作状态 其它有关部件 如中断控制逻辑、DMA控制逻辑以及各类特殊部件2022/2/14389.2.3 I/O 接口的分类 1. 按数据传送格式分 串行接口：接口与设备之间的信息传送是逐位串行进行的 并行接口：接口与设备之间的信息传送是将一个字或一个字节的所有位同时并行地进行传送的2022/2/14392022/2/1440主机串行接口外设TxDRxDDn10主机并行接口外设Dn10I/On102022/2/1441 2. 按时序的控制方式分 同步接口：一般与同步总线相连，接口与总线采用统一时钟信号，无论CPU与I/O设备，还是存储器与I/O设备交换信息，都与总线同步时钟脉冲同步 异步接口：与异步总线相连，接口与系统总线之间采用异步应答方式2022/2/1442 3. 按信息传送交换的控制方式分 程序控制I/O接口：采用直接程序控制方式进行信息交换的接口 程序中断I/O接口：主机与外设以程序中断方式进行信息交换控制的接口 直接存储器存取I/O接口：以直接存储器存取(DMA)方式控制信息传送的接口。

2022/2/1443 程序控制方式的特点： 数据传输操作通过在处理机上执行的I/O指令来实现 程序控制方式下数据传输的过程： 输入数据 CPU执行I/O输入指令，启动输入操作总线周期，将I/O接口数据缓冲寄存器中的数据取到CPU中。